CN104990687A - 研究综掘面巷道中粉尘运移规律的可视化试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种研究综掘面巷道中粉尘运移规律的可视化试验装置及方法，该试验装置包括模型巷道、发尘系统、通风除尘系统、热湿气体供给系统和流场监测系统；模型巷道包括透明的巷道主体，发尘系统包括变频发尘器，通风除尘系统包括送风管、抽风管、变频吸尘器、变频鼓风机，热湿气体供给系统包括恒温水浴和备用风机，流场监测系统包括接触式测量装置和非接触测量装置。该试验方法采用上述试验装置模拟、观测并分析粉尘在巷道中复杂环境下的运移过程。本发明可实现冷态巷道中无通风作用情况下粉尘运移过程，又能模拟热湿条件下巷道中粉尘扩散、运移及沉积现象，还能模拟多通风条件下风场对巷道中粉尘分布的影响情况。

Description

研究综掘面巷道中粉尘运移规律的可视化试验装置及方法

技术领域

本发明涉及安全工程通风除尘模型试验领域，尤其是一种研究综掘面巷道中复杂环境下粉尘运移规律的可视化试验装置及方法。

背景技术

随着煤矿综合综掘机械化程度和生产强度的提高，煤矿尘害问题日益突出。尤其是综掘面巷道粉尘产量大、浓度高。据报道，在未采取防尘措施时，综掘面巷道的全尘浓度严重超标直接导致粉尘爆炸隐患增大。同时，司机处呼吸性粉尘浓度严重超标，导致煤炭行业尘肺病人增多。煤尘不仅危害作业人员的身体健康，而且有可能引起煤尘爆炸，酿成矿井重大灾害事故。因此，采取有效措施降低巷道中的粉尘浓度，已成为煤炭行业控制尘肺病发生和防止煤尘爆炸的头等重要的事情。

综合分析国内外主要的粉尘防治措施得，现有的防尘、除尘技术和管理措施存在很大局限性，粉尘防治效果并不理想，其本质问题就在于目前对粉尘分布规律尚不清晰，致使现场很多除尘系统的设计、设备的布置都不能达到最佳效果或者不能使用在关键点上。因此，研究粉尘在综掘面巷道的运移规律，特别是开展巷道热湿环境下粉尘的分布规律研究，对制定有效的防尘、降尘措施意义重大，对有效控制矿尘、改善劳动条件、提高生产效率和保证矿井的安全生产具有深远意义。

发明内容

发明目的：本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种研究综掘面巷道中粉尘运移规律的可视化试验装置及方法，能够模拟、观测并分析粉尘在巷道中复杂环境下的运移过程。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：一种研究综掘面巷道中粉尘运移规律的可视化试验装置，包括模型巷道、发尘系统、通风除尘系统、热湿气体供给系统和流场监测系统；所述模型巷道包括透明的巷道主体，巷道主体前端设有进料口，巷道主体尾端设有风管安装孔；所述发尘系统包括变频发尘器，变频发尘器通过供料管连接进料口；所述通风除尘系统包括送风管、抽风管、变频吸尘器和变频鼓风机，送风管和抽风管设置在巷道主体内部，送风管和抽风管尾端均由风管安装孔延伸至巷道主体外部，变频吸尘器通过控制阀与抽风管尾端相连，变频鼓风机通过控制阀与送风管尾端相连；所述热湿气体供给系统包括恒温水浴和备用风机，恒温水浴的水槽液面上方设有出风口和补风口，出风口与变频鼓风机相连，补风口与备用风机相连；所述流场监测系统包括接触式测量装置和非接触测量装置，接触式测量装置包括流量计、温湿度计和流速计，非接触测量装置包括高速摄像机、电脑和照明光源，流量计设置在送风管和抽风管尾端，温湿度计设置在巷道主体前端和送风管尾端，流速计设置在送风管和抽风管前端，高速摄像机和光源设置在巷道主体外侧，电脑通过数据线分别与流量计、温湿度计、流速计和高速摄像机相连。

进一步的，所述通风除尘系统还包括集尘布袋，集尘布袋设置在巷道主体尾端。

进一步的，所述巷道主体截面为矩形或拱形。

进一步的，所述巷道主体材质为有机玻璃。

进一步的，所述温湿度计为干湿球温度计。

一种基于上述试验装置的研究综掘面巷道中粉尘运移规律的可视化试验方法，包括以下步骤：

a)、启动热湿气体供给系统：向恒温水浴注入温水至指定刻度线，打开水恒温水浴电源，将其仪表设定到所需要的温度加热，当温度到达所需温度后维持数分钟，使恒温水浴进入自动恒温控制，然后开启备用风机，向模型巷道通入热湿气体，当研究冷态巷道粉尘运移规律时，跳过本步骤，直接进入下一步骤；

b)、启动通风除尘系统：打开变频鼓风机和变频吸尘器电源，待变频鼓风机和变频吸尘器运行稳定后，分别记录送风管和抽风管上的流量计数据，计算抽压比，从而提供具有一定抽压比的风场；

c)、启动发尘系统：筛分粉尘，将一定量的粉尘注入变频发尘器，启动变频发尘器，粉尘通过供料管、进料口进入通风条件下的模型巷道，模拟综掘面发尘；

d)、启动流场监测系统：进行接触式测量和非接触式测量，其中，

接触式测量：通过热湿温度计获取热湿气体的温度和湿度数据，通过流量计和流速计得到的流量及流速数据，计算并记录抽压风场情况；

非接触式测量：一方面，通过高速摄像机获得型巷道内的粉尘分布的瞬态图像，从中提取直观的粉尘分布规律，另一方面，采用粒子图像测速法测量指定断面的粉尘粒子速度场；

e)、结合流场监测系统获得的温度和湿度数据、抽压风场情况、粉尘分布规律和指定断面的粉尘粒子速度场，分析通风条件下的综掘面巷道中粉尘运移规律。

进一步的，步骤a)中，可通过调节恒温水浴设定温度，实现多种湿热气体供给情况。

进一步的，步骤b)中，一方面，可通过改变变频鼓风机和变频吸尘器功率改变抽压比，提供多种抽压比情况的风场；另一方面，可通过调节送风管、抽风管伸入到模型巷道中的长度，调节送风管、抽风管在模型巷道中的相对位置，以及关闭变频鼓风机或变频吸尘器来实现多种通风方式。

进一步的，步骤c)中，可通过变频发尘器的频率，实现多种产尘量工况。

有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明可实现冷态巷道中无通风作用情况下粉尘运移过程，又能模拟热湿条件下巷道中粉尘扩散、运移及沉积现象，还能模拟多通风条件下风场对巷道中粉尘分布的影响情况。此模型可综合模拟多种影响因素情况下巷道中粉尘运移过程，同时进行可视化观察和分析，尤其可实现热湿环境的模拟，属于多功能性试验装置，便于定量研究巷道复杂风流对粉尘运移及分布的影响。与其现有技术相比，其优点有：

1)模型巷道顶面为可拆卸的有机玻璃，通过预制不同巷道截面形状，如矩形或拱形，可开展不同巷道截面的巷道模型试验；

2)采用的发尘系统不但可控，而且供料量可调，可模拟多种产尘量情况；

3)通过选择和布置模型巷道中抽风管、压风管，不仅抽压比可调，而且通风方式可调，可模拟多种通风情况，实现不同风场作用下巷道粉尘运移过程的模拟；

4)采用的热湿气体供给系统不但可控，而且温湿度可调，可实现多种热湿情况；

5)模型中采用接触测量式和非接触测量装置，结合后处理分析软件，可实现巷道粉尘运移过程的全场监控与分析；

6)通过本发明可以可视化综合分析各影响因素对巷道中粉尘运移的影响，故可以更全面的用于研究热湿环境及多中通风条件下的综掘面巷道中粉尘运移规律。

附图说明

图1为本发明的试验装置的三维结构示意图；

图2为本发明的模型巷道的俯视结构示意图；

图3为本发明的模型巷道的正视结构示意图；

图4为本发明的试验方法的多种通风方式示意图一；

图5为本发明的试验方法的多种通风方式示意图二；

图6为本发明的试验方法的多种通风方式示意图三；

图7为本发明的试验方法的多种通风方式示意图四；

图8为本发明的试验方法的多种通风方式示意图五；

图9为本发明的试验方法的多种通风方式示意图六。

图中：1、变频发尘器；2、巷道主体；3、送风管；4、抽风管；5、集尘布袋；6、变频吸尘器；7、变频鼓风机；8、恒温水浴；9、备用风机；10、控制阀；11、流量计；12、温湿度计；13、流速计；14、照明光源；15、高速摄像机；16、电脑。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1至3所示，本发明的模拟综掘面巷道热湿环境中粉尘运移的可视化试验装置包括模型巷道、发尘系统、通风除尘系统、热湿气体供给系统和流场监测系统。

所述模型巷道包括透明的巷道主体2，巷道主体2前端设有进料口，巷道主体2尾端设有风管安装孔。根据模型巷道要模拟的巷道的断面形状和尺寸，选取合适的模型试验相似比，基于相似理论，计算相似比，确定模型巷道的断面的形状、长度以及进料口和风管安装孔的尺寸。本实施例中，巷道主体2材质为有机玻璃，巷道主体2可通过若干块有机玻璃板拼接而成，拼接处设有的橡胶密封条，保证不渗风。巷道主体2截面为矩形或拱形，巷道主体2顶面的机玻璃板为可拆卸结构，以便于改变巷道截面形状。

所述通风除尘系统包括送风管3、抽风管4、集尘布袋5、变频吸尘器6、变频鼓风机7，送风管3和抽风管4对称设置在巷道主体2内部两侧，送风管3和抽风管4前端与进料口相对，送风管3和抽风管4尾端均由风管安装孔延伸至巷道主体2外部，集尘布袋5设置在巷道主体2尾端，用以捕捉部分粉尘，集尘布袋5开设有与送风管3和抽风管4相匹配的预留孔，方便送风管3和抽风管4穿过，变频吸尘器6通过控制阀10与抽风管4尾端相连，变频鼓风机7通过控制阀10与送风管3尾端相连。按照既定的抽压比设定好变频吸尘器6和变频鼓风机7频率，可实现不同抽压比风场；还可通过调节送风管3、抽风管4伸入到模型巷道中的长度，调节送风管3、抽风管4在模型巷道中的相对位置，以及关闭变频鼓风机7或变频吸尘器6来实现多种通风方式。

所述热湿气体供给系统包括恒温水浴8和备用风机9，恒温水浴8的水槽液面上方设有出风口和补风口，出风口与变频鼓风机7相连，补风口与备用风机9相连。通过恒温水浴8连续向模型巷道供给热湿气体，可调节水浴水温以满足供气的热湿要求，可启用备用鼓风机辅助热湿气体的供给。

所述流场监测系统包括接触式测量装置和非接触测量装置，接触式测量装置包括流量计11、温湿度计12和流速计13，非接触测量装置包括高速摄像机15、电脑16和照明光源14，流量计11设置在送风管3和抽风管4尾端，温湿度计12为干湿球温度计，温湿度计12设置在巷道主体2前端和送风管3尾端，流速计13设置在送风管3和抽风管4前端，照明光源14和高速摄像机15设置在巷道主体2外侧，并可根据需要改变高速摄像机15与巷道主体2相对位置，电脑16通过数据线分别与流量计11、温湿度计12、流速计13和高速摄像机15相连。

基于上述试验装置的研究综掘面巷道中粉尘运移规律的可视化试验方法，其包括以下步骤：

a)、启动热湿气体供给系统：向恒温水浴8注入温水至指定刻度线，打开水恒温水浴8电源，将其仪表设定到所需要的温度加热，当温度到达所需温度后维持数分钟，使恒温水浴8进入自动恒温控制，然后开启备用风机9，向模型巷道通入热湿气体，当研究冷态巷道粉尘运移规律时，跳过步骤a)，不启动热湿气体供给系统，直接进入步骤b)；

b)、启动通风除尘系统：打开变频鼓风机7和变频吸尘器6电源，待变频鼓风机7和变频吸尘器6运行稳定后，分别记录送风管3和抽风管4上的流量计11数据，计算抽压比，从而提供具有一定抽压比的风场；

c)、启动发尘系统：筛分粉尘，将一定量的粉尘注入变频发尘器1，启动变频发尘器1，粉尘通过供料管、进料口进入通风条件下的模型巷道，模拟综掘面发尘；

d)、启动流场监测系统：进行接触式测量和非接触式测量，其中，

接触式测量：通过热湿温度计12获取热湿气体的温度和湿度数据，通过流量计11和流速计13得到的流量及流速数据，计算并记录抽压风场情况；

非接触式测量：一方面，通过高速摄像机15获得型巷道内的粉尘分布的瞬态图像，从中提取直观的粉尘分布规律，另一方面，采用粒子图像测速法测量指定断面的粉尘粒子速度场，以司机位置截面为例，一般井下采煤机司机所处的位置为：在巷道中间位置，距离采掘面3m～5m且高度1.5m处，按模型巷道缩小比例折算，即可确定对象截面位于巷道主体2的具体位置；

e)、结合流场监测系统获得的温度和湿度数据、抽压风场情况、粉尘分布规律和指定断面的粉尘粒子速度场，分析热湿环境及中通风条件下的综掘面巷道中粉尘运移规律。

在步骤a)中，可通过调节恒温水浴8设定温度，实现多种湿热气体供给情况。

在步骤b)中，一方面，可通过改变变频鼓风机7和变频吸尘器6功率改变抽压比，提供多种抽压比情况的风场；另一方面，可通过调节送风管3、抽风管4伸入到模型巷道中的长度以及调节送风管3、抽风管4在模型巷道中的相对位置，以及关闭变频鼓风机7或变频吸尘器6来实现多种通风方式，如图4至8所示，通风方式包括“混合式”、“抽出式”和“压入式”，其中“混合式”可分为“短压短抽式”、“长压短抽式”、“短压长抽式”、“长压长抽式”，其中，短压即送风管3的送风口距离综掘面较近；长压即送风管3的送风口距离综掘面较远；短抽即抽风管4的进风口距离综掘面较近；长抽即抽风管4的进风口距离综掘面较远；抽出式即变频鼓风机7关闭，变频吸尘器6工作，只通过抽风管4进行抽风；压入式即变频吸尘器6关闭，变频鼓风机7工作，只通过送风管3进行送风。

在步骤c)中，可通过变频发尘器1的频率，实现多种产尘量工况。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种研究综掘面巷道中粉尘运移规律的可视化试验装置，其特征在于：包括模型巷道、发尘系统、通风除尘系统、热湿气体供给系统和流场监测系统；所述模型巷道包括透明的巷道主体(2)，巷道主体(2)前端设有进料口，巷道主体(2)尾端设有风管安装孔；所述发尘系统包括变频发尘器(1)，变频发尘器(1)通过供料管连接进料口；所述通风除尘系统包括送风管(3)、抽风管(4)、变频吸尘器(6)和变频鼓风机(7)，送风管(3)和抽风管(4)设置在巷道主体(2)内部，送风管(3)和抽风管(4)尾端均由风管安装孔延伸至巷道主体(2)外部，变频吸尘器(6)通过控制阀(10)与抽风管(4)尾端相连，变频鼓风机(7)通过控制阀(10)与送风管(3)尾端相连；所述热湿气体供给系统包括恒温水浴(8)和备用风机(9)，恒温水浴(8)的水槽液面上方设有出风口和补风口，出风口与变频鼓风机(7)相连，补风口与备用风机(9)相连；所述流场监测系统包括接触式测量装置和非接触测量装置，接触式测量装置包括流量计(11)、温湿度计(12)和流速计(13)，非接触测量装置包括高速摄像机(15)、电脑(16)和照明光源(14)，流量计(11)设置在送风管(3)和抽风管(4)尾端，温湿度计(12)设置在巷道主体(2)前端和送风管(3)尾端，流速计(13)设置在送风管(3)和抽风管(4)前端，高速摄像机(15)和光源(14)设置在巷道主体(2)外侧，电脑(16)通过数据线分别与流量计(11)、温湿度计(12)、流速计(13)和高速摄像机(15)相连。

2.根据权利要求1所述的一种研究综掘面巷道中粉尘运移规律的可视化试验装置，其特征在于：所述通风除尘系统还包括集尘布袋(5)，集尘布袋(5)设置在巷道主体(2)尾端。

3.根据权利要求1所述的一种研究综掘面巷道中粉尘运移规律的可视化试验装置，其特征在于：所述巷道主体(2)截面为矩形或拱形。

4.根据权利要求1所述的一种研究综掘面巷道中粉尘运移规律的可视化试验装置，其特征在于：所述巷道主体(2)材质为有机玻璃。

5.根据权利要求1所述的一种研究综掘面巷道中粉尘运移规律的可视化试验装置，其特征在于：所述温湿度计(12)为干湿球温度计。

6.一种基于权利要求1至5项中任意一项所述试验装置的研究综掘面巷道中粉尘运移规律的可视化试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)、启动热湿气体供给系统：向恒温水浴(8)注入温水至指定刻度线，打开水恒温水浴(8)电源，将其仪表设定到所需要的温度加热，当温度到达所需温度后维持数分钟，使恒温水浴(8)进入自动恒温控制，然后开启备用风机(9)，向模型巷道通入热湿气体，当研究冷态巷道粉尘运移规律时，跳过本步骤，直接进入下一步骤；

b)、启动通风除尘系统：打开变频鼓风机(7)和变频吸尘器(6)电源，待变频鼓风机(7)和变频吸尘器(6)运行稳定后，分别记录送风管(3)和抽风管(4)上的流量计(11)数据，计算抽压比，从而提供具有一定抽压比的风场；

c)、启动发尘系统：筛分粉尘，将一定量的粉尘注入变频发尘器(1)，启动变频发尘器(1)，粉尘通过供料管、进料口进入通风条件下的模型巷道，模拟综掘面发尘；

d)、启动流场监测系统：进行接触式测量和非接触式测量，其中，

接触式测量：通过热湿温度计(12)获取热湿气体的温度和湿度数据，通过流量计(11)和流速计(13)得到的流量及流速数据，计算并记录抽压风场情况；

非接触式测量：一方面，通过高速摄像机(15)获得型巷道内的粉尘分布的瞬态图像，从中提取直观的粉尘分布规律，另一方面，采用粒子图像测速法测量指定断面的粉尘粒子速度场；

e)、结合流场监测系统获得的温度和湿度数据、抽压风场情况、粉尘分布规律和指定断面的粉尘粒子速度场，分析通风条件下的综掘面巷道中粉尘运移规律。

7.根据权利要求6所述的一种研究综掘面巷道中粉尘运移规律的可视化试验方法，其特征在于：步骤a)中，可通过调节恒温水浴(8)设定温度，实现多种湿热气体供给情况。

8.根据权利要求6所述的一种研究综掘面巷道中粉尘运移规律的可视化试验方法，其特征在于：步骤b)中，一方面，可通过改变变频鼓风机(7)和变频吸尘器(6)功率改变抽压比，提供多种抽压比情况的风场；另一方面，可通过调节送风管(3)、抽风管(4)伸入到模型巷道中的长度，调节送风管(3)、抽风管(4)在模型巷道中的相对位置，以及关闭变频鼓风机(7)或变频吸尘器(6)来实现多种通风方式。

9.根据权利要求6所述的一种研究综掘面巷道中粉尘运移规律的可视化试验方法，其特征在于：步骤c)中，可通过变频发尘器(1)的频率，实现多种产尘量工况。